石墨烯宽光谱光电转换复合材料的设计制备与应用

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1、第六届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称石墨烯宽光谱光电转换复合材料的设计制备与应用项目类别创新训练项目R创业训练项目□项目主持人杨宏伟学生所在学院材料与光电物理学院专业班级12级物理学二班指导老师祁祥副教授填表日期2013年3月15日湘潭大学教务处制项目名称:石墨烯宽光谱光电转换复合材料的设计制备与应用学生姓名专业名称性别学号杨宏伟物理学男2012700209范炜盛物理学男2012700210田君物理学男2012700216郑高汀物理学男2012700212朱震霄物理学男2012700219指导教师祁祥职称副教授

2、学科专业物理学学生曾经参与科研或创业的情况申请人于2012年进入湘潭大学材料与光电物理学院学习，对科研一直都非常感兴趣。入学后积极参加学院举行的各类科研活动，其中一直以来都参加钟建新教授课题组所进行的业余科研学习并积累总结了各方面的经验，目前已经熟练掌握了实验室的各种制备以及表征仪器的操作方法；对微结构制备、表征和分析方法都已经有一定程度的了解，其中对石墨烯及其复合结构的制备技术和光电转换性质的测试分析手段已经熟练掌握，且兴趣浓厚。这对于本项目的顺利开展非常有利。本创新性实验项目也是在申请人已有前期工作的基础上提出的。指导教师承担

3、科研课题情况[1]碳纳米纤维同质异构结的可控制备及其物性调制研究.国家自然科学基金青年项目.2011.01-2013.12.项目编号：51002129.[2]掺杂碳纳米管的热电转换性质研究.第四十八批中国博士后科学基金面上资助项目一等资助.2010.04-2012.03.项目编号：20100480068.[3]碳纳米管的制备、表征、高温微结构转变和物性研究.2009年度湘潭大学博士科研启动费.2009.01—2011.12.项目编号：09QDZ21.项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题项目研究和实验的目的：探索稀土掺杂纳米

4、晶与半导体之间的能量传递机理，建立转光协同吸收的物理模型，设计并确定一种制备石墨烯—半导体纳米颗粒—稀土掺杂纳米晶高效光电转换复合材料的最佳工艺路线和实验参数，开发并拓展其在光催化降解和光催化制氢等环境和能源领域的应用。通过上述技术，希望解决以P25(二氧化钛)为代表的半导体材料光谱吸收范围窄、光生电荷分离速率低等关键问题。项目研究和实验的内容：本项目主要是设计并制备基于石墨烯的高效光电转换复合材料，探索并揭示该新型复合材料的宽光谱吸收和高光电转换效率的运行机制和物理模型。在本项目中，我们将选用产业化前景最好、本征光电转换效率较高

5、的商业化二氧化钛纳米颗粒（P25）作为半导体颗粒的唯一研究对象；纳米晶则主要考虑目前效率最高的NaREF4(RE=RareEarth)体系。(1)稀土掺杂纳米晶与半导体颗粒能量传递方式的设计分析稀土掺杂纳米晶中Sm3+、Eu3+、Tm3+、Yb3+、Tb3+等稀土离子以及Gd3+-Sm3+、Gd3+-Eu3+等稀土离子对的量子裁剪效应，寻找与二氧化钛半导体纳米颗粒的最优能级匹配，实现能量传递几率的最大化。分别讨论稀土掺杂纳米晶的上转换、下转换以及双向协同等多种能量传递通道，模拟和阐述转换发光过程中的发光动力学过程，设计多种具有不同

6、能量传递方式的光电转换复合材料。(2)石墨烯基光电转换复合材料的制备、表征和光电转换特性测试根据理论模拟结果，采用水热法制备出多种具有不同量子裁剪方式的稀土掺杂纳米晶颗粒，研究制备方法、晶粒尺寸形貌对转换发光性能的影响。采用水热法将稀土掺杂纳米晶颗粒与商业化二氧化钛纳米颗粒P25同时负载到石墨烯表面，通过系统研究稀土掺杂纳米晶的种类、各组成单元的质量配比和分布以及水热合成温度与时间等因素对复合材料的影响，找到稳定制备石墨烯基光电转换复合材料的工艺条件和最优化的技术路线。采用SEM、TEM、EDS、Raman、XRD、PL、紫外—可

7、见—红外分光光度计、瞬态荧光测量系统以及光电化学性能测试系统等各种分析测试手段，对石墨烯—P25—稀土掺杂纳米晶复合材料的形貌、微观结构以及光电转换性能进行表征测试。探索并建立制备条件—微观结构—光电转换特性三者之间的内在联系。(3)石墨烯基光电转换复合材料的应用将石墨烯—P25—稀土掺杂纳米晶作为光催化剂，分别采用红外光、可见光、紫外光以及模拟太阳光等不同光源，开发其光催化降解有机物以及光催化分解水制氢等环境和清洁能源方面的应用。对石墨烯基光电转换复合材料在光降解领域的应用，其评估是以甲基橙、甲基蓝以及工业染料等常见有机染料作为

8、牺牲试剂，重点以模拟太阳光(AM1.5G)作为光源来进行标准化模型测试。对石墨烯基光电转换复合材料的光催化制氢性能评估，则是则是以Pt片为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，碱性KOH溶液(1M)为电解液，重点以模拟太阳光作为光源来进行的标准析氢